JP4055493B2 - 関節部用軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般産業機械やスパッタ装置のチャンバ内部等で使用されるロボットアームの関節部用軸受装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図６に示すように、真空処理装置内でウエハや液晶基板等の板状ワークを搬送する搬送用多関節ロボットが使用されている。
【０００３】
搬送用多関節ロボットは、モータ等を内蔵したロボット本体１０と、ロボット本体１０から延びる左右一対のアーム１１，１２と、両アーム１１，１２の先端に設けられたリンクとなるウェハホーク１３とから構成されている。
【０００４】
各アーム１１，１２は、一対のリンク１４，１５，１６，１７と、リンク１４，１６とリンク１５，１７を揺動可能に連結する関節部１８，１９にて構成されている。リンク１４，１６の先端とウェハホーク１３は、関節部２０を介して揺動可能に連結されている。リンク１５，１７の基端は、ロボット本体１０に設けた揺動機構に連結されている。
【０００５】
搬送用多関節ロボットの動作を説明する。
【０００６】
ウェハホーク１３に板状ワーク２１が載置された状態で、ロボット本体１０に設けた揺動機構にて、リンク１５，１７を揺動させる。すると、アーム１１，１２が伸縮し、ウェハホーク１３が反復直線移動し、板状ワーク２１が搬送される。
【０００７】
図７は、関節部２０の断面図を示している。
【０００８】
関節部２０は、内輪３３，３４と外輪３５，３６間に玉３７，３８を介装してなる一対の転がり軸受３１，３２を、軸方向に組合わせてなるアンギュラ玉軸受からなる組合せ軸受３０を備えている。
【０００９】
組合せ軸受３０の外輪３５，３６間には、リンク１４（１６）の先端に設けられた環状部材４０が介挿されている。
【００１０】
組合せ軸受３０の両内輪３３，３４は、軸方向外端面から把持部材４１，４２にて把持される。把持部材４１はベースからなり、把持部材４２はカバー４３の開口に嵌合したキャップからなる。カバー４３はベース４１に重ねられてキャップ４２が嵌合され、ベース４１の段部４４とキャップ４２の段部４５に、組合せ軸受３０の両内輪３３，３４が遊嵌され、両内輪３３，３４が軸方向外端面から把持される。
【００１１】
キャップ４２に固定ネジ４６が挿通され、ベース４１に締結される。この固定ネジ４６の締結により、環状部材４０が両外輪３５，３６間にて挟圧固定されると共に、両内輪３３，３４もベース４１の段部４４とキャップ４２の段部４５に固定され、一対の転がり軸受３１，３２に各々予圧が付与される。各転がり軸受３１，３２に付与される予圧は、固定ネジ４６の締め付け力を調整することによって行われる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
板状ワーク２１等に対して各種の処理を施す場合、板状ワーク２１の位置合わせに高い精度が要求される。そのため、上記処理中に用いられる搬送用多関節ロボットに対しては、搬送時における板状ワーク２１の位置ずれを防止することが求められる。
【００１３】
ところが、上記処理は一般に真空環境で行われる。このような処理では、搬送時に板状ワーク２１を真空吸引により保持することができず、単に板状ワーク２１を被搬送物載置台に載置した状態で搬送しなければならない。この搬送によれば、板状ワーク２１の位置ずれに対して振動が大きく影響し、搬送用多関節ロボットには高い防振性能が要求される。
【００１４】
図７に示した関節部２０では、固定ネジ４６の締め付け力によって転がり軸受３１，３２に予圧が付与される定位置予圧付与構造をしている。つまり、固定ネジ４６の締め付け量を調整することで、ベース４１とキャップ４２の軸方向の離間間隔を調整し、その離間間隔に応じた予圧を転がり軸受３１，３２に付与している。
【００１５】
振動を防止するためには、一般的に転がり軸受３１，３２の予圧を高めることが望ましい。しかし、定位置予圧付与構造においては、固定ネジ４６の締め付け加減によって、転がり軸受３１，３２に付与される予圧が大きく変動する。固定ネジ４６の締め付けは、作業者の手作業により行われるため、締め付け精度は悪くなる。そのため、転がり軸受３１，３２に付与される予圧に過不足が生じ易くなる。特に、転がり軸受３１，３２に付与される予圧が不充分である場合、軸受のがたつきによって振動が発生する。
【００１６】
図６に示した関節部２０のように、一対の組合せ軸受３０が水平方向に並設されている場合、転がり軸受３１，３２に付与する予圧が大き過ぎると、両組合せ軸受３０にてトルク差が発生し易くなる。両組合せ軸受３０にトルク差が生じると振動が発生する。
【００１７】
以上のように、搬送時において振動が発生すると、板状ワーク２１に位置ずれが生じるという問題があった。しかも、振動の発生により、搬送速度を上げることができないという問題もあった。
【００１８】
本発明は、搬送時におけるワークの振動を低減することにより、ワークの位置ずれを防止でき、かつ、搬送速度も高めることができる関節部用軸受装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の関節部用軸受装置は、一方のリンクと、他方のリンクと、を歯車にて噛合した一対のリンクと、
これらリンクを揺動自在に連結させる関節部とからなるリンク機構の関節部用軸受装置であって、
前記関節部は、
第１内輪と、第１外輪と、第１内輪と第１外輪との間に介装される第１転動体とからなる第１転がり軸受と、
第２内輪と、第２外輪と、第２内輪と第２外輪との間に介装される第２転動体とからなる第２転がり軸受と、
を軸方向に組み合わせてなる第１の組合せ軸受と、
第３内輪と、第３外輪と、第３内輪と第３外輪との間に介装される第３転動体とからなる第３転がり軸受と、
第４内輪と、第４外輪と、第４内輪と第４外輪との間に介装される第４転動体とからなる第４転がり軸受と、
を軸方向に組み合わせてなる第２の組合せ軸受と、
前記第１転がり軸受の前記第１内輪が固定され、前記第１内輪の内周面と軸方向一方側端面とが当接するとともに、前記第１転がり軸受に対して水平方向に並設される前記第３転がり軸受の前記第３内輪が固定され、前記第３内輪の内周面と軸方向一方側端面とが当接するベースと、
前記第２内輪が固定され、前記第２内輪の内周面と軸方向他方側端面とが当接する第１キャップと、
前記第４内輪が固定され、前記第４内輪の内周面と軸方向他方側端面とが当接する第２キャップと、
前記第１外輪の軸方向他方側端面と前記第２外輪の軸方向一方側端面との間に前記一方のリンクとともに介装する環状に形成された第１予圧付与部材と、
前記第３外輪の軸方向他方側端面と前記第４外輪の軸方向一方側端面との間に前記他方のリンクとともに介装する環状に形成された第２予圧付与部材と、
を備え、
前記ベースは前記第１内輪より径方向内方において軸方向他方側に向く第１対向面を有するとともに、前記第３内輪より径方向内方において軸方向他方側に向く第３対向面を有し、
前記第１キャップは前記第２内輪より径方向内方において軸方向一方側に向く第２対向面を有し、
前記第２キャップは前記第４内輪より径方向内方において軸方向一方側に向く第４対向面を有し、
前記第１対向面および前記第２対向面の軸方向に重なる範囲で前記ベースと前記第１キャップとを第１固定ネジで固定して前記第１対向面と前記第２対向面とが当接することで、前記第１予圧付与部材の弾性力により前記第１転がり軸受と前記第２転がり軸受とに予圧を付与するとともに、
前記第３対向面および前記第４対向面の軸方向に重なる範囲で前記ベースと前記第２キャップとを第２固定ネジで固定して前記第３対向面と前記第４対向面とが当接することで、前記第２予圧付与部材の弾性力により前記第３転がり軸受と前記第４転がり軸受とに予圧を付与することを特徴とする。
【００２０】
関節部用軸受装置が適用される部位としては、例えば、搬送用多関節ロボットのアームの関節部や、アーム先端のウェハホーク等が設けられる手首部が挙げられる。
【００２１】
本発明の関節部用軸受装置によると、一対の把持部材の軸方向対向面を当接させてねじ止めした状態で、予圧付与部材にて一対の転がり軸受に予圧が付与される、いわゆる定圧予圧付与構造をしている。このため、作業者の手作業によって行われる定位置予圧付与構造のように、転がり軸受に付与される予圧にばらつきが発生せず、各転がり軸受に充分な予圧を付与することができ、軸受のがたつきによって振動が発生するのを防止できる。
【００２２】
なお、前記第１内輪の内周面が前記第１キャップに当接するとともに、前記第３内輪の内周面が前記第２キャップに当接する。
【００２３】
なお、第１ならびに第２の組合せ軸受に付与される予圧の差を２０％以内とする。
【００２６】
さらに、第１の組合せ軸受と第２の組合せ軸受に付与される予圧の差を２０％以内とすることで、第１の組合せ軸受と第２の組合せ軸受のトルク差を低減でき、トルク差による振動の発生を防止できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図１ないし図５を用いて説明する。
【００２８】
図１は本実施の形態における関節部用軸受装置の断面図、図２はその関節部用軸受装置の部分拡大断面図、図３はその関節部用軸受装置の要部拡大断面図、図４（Ａ）（Ｂ）はその予圧付与部材の平面図ならびに側面図、図５はウェハの振動実験の結果を示すグラフである。
【００２９】
本実施の形態の関節部用軸受装置は、図６に示した搬送用多関節ロボットのアーム先端のウェハホーク１３が設けられる手首部に組み込まれるものである。なお、図６に示した例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
手首部における関節部２０は、図１に示すように、互いに水平方向に並設された第１の組合せ軸受３０Ａと第２の組合せ軸受３０Ｂにて構成されている。第１および第２の組合せ軸受３０Ａ，３０Ｂは、図２および図３の拡大図に示すように、各々同様に構成されている。
【００３１】
第１および第２の組合せ軸受３０Ａ，３０Ｂは、各々内輪３３，３４と外輪３５，３６間に玉３７，３８を介装してなる一対の転がり軸受３１，３２を、軸方向に組合わせてなるアンギュラ玉軸受からなる。
【００３２】
第１の組合せ軸受３０Ａの外輪３５，３６間には、リンク１４の先端に設けられた環状部材４０が介挿されている。また、第２の組合せ軸受３０Ｂの外輪３５，３６間には、リンク１６の先端に設けられた環状部材４０が介挿されている。
【００３３】
各環状部材４０と、転がり軸受３１の外輪３５の軸方向内端面との間には、予圧付与部材５０が介挿されている。
【００３４】
予圧付与部材５０は、図４に示すように、環状波形バネであるウェーブワッシャにて構成されている。５１は波板の山谷の頂部を示している。
【００３５】
第１および第２の組合せ軸受３０Ａ，３０Ｂの両内輪３３，３４は、各々把持部材となるベース４１と、カバー４３の開口に嵌合したキャップ４２にて軸方向外端面から把持される。すなわち、カバー４３はベース４１に重ねられてキャップ４２が嵌合され、ベース４１の段部４４に各組合せ軸受３０Ａ，３０Ｂの内輪３４が遊嵌されると共に、キャップ４２の段部４５に内輪３３が遊嵌される。
【００３６】
ベース４１の軸方向対向面４７と、キャップ４２の軸方向対向面４８を互いに当接させた状態で、キャップ４２に固定ネジ４６が挿通されてベース４１に締結される。この状態で、ウェーブワッシャ５０にて両外輪３５，３６が各々軸方向外方に付勢され、転がり軸受３１，３２に予圧が付与されると共に、転がり軸受３１，３２が固定される。
【００３７】
転がり軸受３１，３２に付与される予圧の大きさは、静定格荷重の２〜１０％とする。ここで、静定格荷重の２％より小さい予圧を付与すると、荷重を負荷されな転動体が生じるため、剛性不足を招き、軸受性能が低下する。また、静定格荷重の１０％より大きい予圧を付与すると、転動体の接触面積が２００kgf/mmを超え、真空中での環境を考えた場合、寿命低下につながり好ましくない。よって、このように静定格荷重の２〜１０％の大きさの予圧を付与するために、ウェーブワッシャ５０の弾性力が設定されている。
【００３８】
第１の組合せ軸受３０Ａおよび第２の組合せ軸受３０Ｂに付与される予圧の差を２０％以内とする。これは、予圧量の差が２０％生じると、各転がり軸受（３０Ａ，３０Ｂ）の起動トルクに２８％の差が発生する。今回の荷重条件によるストローク試験では、各転がり軸受（３０Ａ，３０Ｂ）の起動トルク差が３０％以上になると、各転がり軸受（３０Ａ，３０Ｂ）が取付けられているウェハホーク１３の反復直線運動に発生する振動が大きくなり、ウェハホーク１３に載置されている板状ワーク２１が位置ずれを起こす。よって、このように予圧の差が２０％以内となるように、ウェーブワッシャ５０の弾性精度が設定されている。
【００３９】
また、上記予圧の設定は、別途ウェーブワッシャのつぶし量と荷重の関係を求めておき、各部品設計によるウェーブワッシャのつぶし量を算出し、その値を上記関係に当てはめることで行われる。
【００４０】
リンク１４，１６の先端どうしは、互いの外周面に形成した歯車２２を介して、揺動自在に噛合されている。
【００４１】
搬送用多関節ロボットの動作を説明する。
【００４２】
ウェハホーク１３に板状ワーク２１が載置された状態で、ロボット本体１０に設けた揺動機構にてリンク１５，１７が揺動される。すると、歯車２２にて噛合したリンク１４，１６が互いに揺動しながらアーム１１，１２が伸縮され、ウェハホーク１３が反復直線移動し、板状ワーク２１が搬送される。
【００４３】
図５は、搬送用多関節ロボットのウェハホーク１３に載置したワークの振動実験の結果を示す。
【００４４】
実験条件について説明する。
【００４５】
図６に示すように、板状ワークとして、ウェハホーク１３に８インチウェハ２１が載置される。
【００４６】
ウェハ２１の荷重作用点Ｂから関節部２０の組合せ軸受３０の中心Ａまでの距離Ｘを１４０ｍｍとする。荷重作用点Ｂには、ウェハ２１とウェハホーク１３の合計の荷重５００ｇｆが作用する。
【００４７】
縮小時のウェハ２１の中心点Ｃから伸長時のウェハ２１の中心点Ｃ’までの距離Ｙを６００ｍｍとする。
【００４８】
アーム１１，１２の伸縮速度は３００ｍｍ／ｓｅｃとする。
【００４９】
ウェハ２１上に振動計のピックアップが設置され、アーム１１，１２の伸縮時の振動を測定する。振動の測定方向は、ウェハ２１に水平で、かつ、アーム１１，１２の伸縮方向に対して直角方向とする。測定は、アーム１１，１２を１０往復させ、その間の振動を計測した。
【００５０】
図５中Ａ，Ｂは、本発明のウェーブワッシャ５０による定圧予圧の関節部用軸受装置を用いた場合、図５中Ｃ，Ｄ，Ｅは、従来例のねじ締めによる定位置予圧の関節部用軸受装置を用いた場合における実験結果を示している。
【００５１】
図５の縦軸はウェハの振動値（Ｇ）を示している。このグラフは、伸縮動作を１０往復（２０往復）行い、１動作あたりの最大値をその動作の振動値として、各２０回の動作の振動値を測定し、その最大値、最小値、平均値を示している。なお、振動値（Ｇ）のＧは、重力加速度である。
【００５２】
図５より、定圧予圧Ａ，Ｂの場合に、振動の平均値が小さくなり、その最大値と最小値の差も小さくなることがわかる。下記の表１に、Ａ〜Ｅの各実験例における振動の平均値、最大値、最小値を示す。
【００５３】
【表１】

このように構成された関節部用軸受装置によると、ベース４１の軸方向対向面４７とキャップ４２の軸方向対向面４８を当接させて固定ネジ４６でねじ止めした状態で、ウェーブワッシャ５０にて一対の転がり軸受３１，３２に予圧が付与される、いわゆる定圧予圧付与構造をしている。このため、作業者の手作業によって行われる定位置予圧付与構造のように、転がり軸受３１，３２に付与される予圧にばらつきが発生せず、各転がり軸受３１，３２に充分な予圧を付与することができ、軸受のがたつきによって振動が発生するのを防止できる。
【００５４】
第１の組合せ軸受３０Ａと第２の組合せ軸受３０Ｂに付与される予圧の差を２０％以内とすることで、第１の組合せ軸受３０Ａと第２の組合せ軸受３０Ｂのトルク差を低減でき、トルク差による振動の発生も防止できる。
【００５５】
以上のようにして、搬送時における板状ワーク２１の振動を低減することにより、板状ワーク２１の位置ずれを防止でき、かつ、搬送速度も高めることができる。しかも、振動を低減することで、関節部用軸受装置の長寿命化も図れる。
【００５６】
ウェーブワッシャ５０は、リンク１４，１６の環状部材４０と、転がり軸受３２の外輪３６間に介装してもよい。
【００５７】
予圧付与部材は、外輪３５，３６間に介装されて外輪３５，３６を軸方向外方に付勢することにより、組合せ軸受３０の一対の転がり軸受３１，３２に各々予圧を付与するものであればよい。
【００５８】
組合せ軸受３０を構成する転がり軸受３１，３２は、深溝玉軸受や、円すいころ軸受等の各種転がり軸受であってもよい。
【００５９】
本発明の関節部用軸受装置は、１つの組合せ軸受に一対のリンクを連結させた構成のものにも適用できる。
【００６０】
例えば、搬送用多関節ロボットのアーム１１，１２の関節部１８，１９におけるリンク１４，１６とリンク１５，１７の連結部分に適用してもよい。
【００６１】
すなわち、関節部１８，１９において、一対の転がり軸受を軸方向に組合わせてなる組合せ軸受が設けられ、転がり軸受の内輪にリンク１４，１６が圧入されると共に、外輪にリンク１５，１７が圧入され、両外輪の軸方向内端面間にウェーブワッシャ５０が介装される。両内輪は軸方向外端面からカバー等の一対の把持部材にて把持され、把持部材の互いの軸方向対向面を当接させてねじ止めされ、ウェーブワッシャ５０にて両外輪が各々軸方向外方に付勢されて一対の転がり軸受に予圧が付与される。
【００６２】
このように、１つの組合せ軸受に一対のリンクを連結させた関節部用軸受装置においても、定圧予圧付与構造とすることで、転がり軸受に付与される予圧にばらつきが発生するのを防ぎ、各転がり軸受に充分な予圧を付与することができ、軸受のがたつきによって振動が発生するのを防止できる。よって、板状ワーク２１の位置ずれを防止でき、かつ、搬送速度も高めることができる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明の関節部用軸受装置によると、搬送時におけるワークの振動を低減することにより、ワークの位置ずれを防止でき、かつ、搬送速度も高めることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における関節部用軸受装置の断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における関節部用軸受装置の部分拡大断面図である。
【図３】本発明の一実施形態における関節部用軸受装置の要部拡大断面図である。
【図４】（Ａ）（Ｂ）は、本発明の一実施形態における関節部用軸受装置の予圧付与部材の平面図ならびに側面図である。
【図５】ウェハの振動実験の結果を示すグラフである。
【図６】搬送用多関節ロボットの概略平面図である。
【図７】従来例における関節部用軸受装置の部分拡大断面図である。
【符号の説明】
１３ ウェハホーク（リンク）
１４，１５，１６，１７ リンク
１８，１９，２０，２１ 関節部
３０ 組合せ軸受
３１，３２ 転がり軸受
３３，３４ 内輪
３５，３６ 外輪
３７，３８ 玉（転動体）
４１ ベース（把持部材）
４２ キャップ（把持部材）
４６ 固定ネジ
４７，４８ 軸方向対向面
５０ ウェーブワッシャ（予圧付与部材）

Claims (3)

1. 一方のリンクと、他方のリンクと、を歯車にて噛合した一対のリンクと、
   これらリンクを揺動自在に連結させる関節部とからなるリンク機構の関節部用軸受装置であって、
   前記関節部は、
   第１内輪と、第１外輪と、第１内輪と第１外輪との間に介装される第１転動体とからなる第１転がり軸受と、
   第２内輪と、第２外輪と、第２内輪と第２外輪との間に介装される第２転動体とからなる第２転がり軸受と、
   を軸方向に組み合わせてなる第１の組合せ軸受と、
   第３内輪と、第３外輪と、第３内輪と第３外輪との間に介装される第３転動体とからなる第３転がり軸受と、
   第４内輪と、第４外輪と、第４内輪と第４外輪との間に介装される第４転動体とからなる第４転がり軸受と、
   を軸方向に組み合わせてなる第２の組合せ軸受と、
   前記第１転がり軸受の前記第１内輪が固定され、前記第１内輪の内周面と軸方向一方側端面とが当接するとともに、前記第１転がり軸受に対して水平方向に並設される前記第３転がり軸受の前記第３内輪が固定され、前記第３内輪の内周面と軸方向一方側端面とが当接するベースと、
   前記第２内輪が固定され、前記第２内輪の内周面と軸方向他方側端面とが当接する第１キャップと、
   前記第４内輪が固定され、前記第４内輪の内周面と軸方向他方側端面とが当接する第２キャップと、
   前記第１外輪の軸方向他方側端面と前記第２外輪の軸方向一方側端面との間に前記一方のリンクとともに介装する環状に形成された第１予圧付与部材と、
   前記第３外輪の軸方向他方側端面と前記第４外輪の軸方向一方側端面との間に前記他方のリンクとともに介装する環状に形成された第２予圧付与部材と、
   を備え、
   前記ベースは前記第１内輪より径方向内方において軸方向他方側に向く第１対向面を有するとともに、前記第３内輪より径方向内方において軸方向他方側に向く第３対向面を有し、
   前記第１キャップは前記第２内輪より径方向内方において軸方向一方側に向く第２対向面を有し、
   前記第２キャップは前記第４内輪より径方向内方において軸方向一方側に向く第４対向面を有し、
   前記第１対向面および前記第２対向面の軸方向に重なる範囲で前記ベースと前記第１キャップとを第１固定ネジで固定して前記第１対向面と前記第２対向面とが当接することで、前記第１予圧付与部材の弾性力により前記第１転がり軸受と前記第２転がり軸受とに予圧を付与するとともに、
   前記第３対向面および前記第４対向面の軸方向に重なる範囲で前記ベースと前記第２キャップとを第２固定ネジで固定して前記第３対向面と前記第４対向面とが当接することで、前記第２予圧付与部材の弾性力により前記第３転がり軸受と前記第４転がり軸受とに予圧を付与する
   ことを特徴とする関節部用軸受装置。
2. 請求項１に記載の関節部用軸受装置において、
   前記第１内輪の内周面が前記第１キャップに当接するとともに、
   前記第３内輪の内周面が前記第２キャップに当接する
   ことを特徴とする関節部用軸受装置。
3. 請求項１または２に記載の関節部用軸受装置において、
   前記第１の組合せ軸受ならびに前記第２の組合せ軸受に付与される予圧の差が２０％以内である
   ことを特徴とする関節部用軸受装置。

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